光データパケットのための準光ストレージ

Summary

物品は​​、任意の変調、波長、およびデータ·レートで光データパケットを格納するための手順を記載している。これらのパケットは、現代の電気通信の基盤である。

Abstract

今日の通信は、世界中の光ファイバ網で情報を送信する光パケットに基づいています。現在、信号の処理は、電気ドメインで行われる。光学ドメインにおける直接記憶各ネットワークノードにおける光領域への電気的および裏面へのパケットの転送を回避し、従って、速度を増加させ、おそらくは電気通信のエネルギー消費を減少させるであろう。しかし、光は、真空中の光の速度で伝搬された光子からなる。これにより、光のストレージが大きな課題である。光の速度を遅くする、または媒体の励起に格納するいくつかの方法が存在する。しかしながら、これらの方法は、電気通信ネットワークに使用される光学データパケットを記憶するために使用することができない。ここで我々としても、光パケットのために、したがって、すべてのシグナルを保持して、時間周波数コヒーレンスは、光メモリを構築するために活用する方法を示しています。私たちは、ウィルLのレビュー詳細および実施例を通して背景やショーは、どの周波数コムは、メモリに入った光パケットをコピーするために使用することができます。これらの時間領域のコピーのいずれかを、次に、時間領域スイッチによってメモリから抽出される。我々は強さのためだけでなく、位相変調された信号は、この方法が表示されます。

Introduction

専用の光ファイバが世界中に送信し、今日のデータ·トラフィックに必要な容量を提供するため、通信ネットワーク内のデータ·トランスポートは、光学的にある。しかし、ネットワークのすべてのノードでの光信号は、それを処理するために、電気ドメインに転送されなければならない。信号を処理した後、さらに伝送用光ドメインに変換されます。ドメイン間のこの二重の転送は、時間と電力消費の両方である。データの全光学的処理を使用するためには、中間貯蔵の問題を解決しなければならない。したがって、光信号の記憶またはバッファリングするための方法がたくさん提案されている。最も簡単な方法は、長さの異なる²と導波路のマトリックス内にシグナルを送信することです。しかしながら、これらのマトリックスは、嵩高であり、それは、導波路長さによってあらかじめ定義されているので、蓄積時間を調整することができません。

「スローライト」の方法は、tunabに依存しています光信号パルス²の伝播速度を遅くするための媒体の群屈折率の変化ル。いくつかの物理的効果および材料系は、この目的の^3-6を用いることができる。しかしながら、これらの方法の信号は、これまでの光ネットワーク·ノード^7,8には十分ではない、ほんの数ビットの長さ、によって遅くすることができる。

別のアプローチは、調整可能な遅延を生成するための波長変換および分散を使用する。これにより、入力信号の中心波長は、非線形光変換を介してシフトされる。その後、信号は、高分散ファイバに供給される。分散ファイバ内の群速度の差は、ファイバ内の波長シフトと群速度分散（GVD）の積に比例する遅延をもたらす。第二変換して波長が元の値に戻ってシフトしている。四光波混合又は自己位相カ月のような波長シフト技術のためのdulationを使用することができる。 2400ビットに対応して調整可能な遅延の243ナノ秒までの変換と分散方法の保存時間で^、10を報告した。しかし、一般に波長変換及び分散方法は、大きな波長シフトおよび/または大GVDを製造するための特別な構成要素及び設定を必要とする。さらに、彼らは最も複雑で電力を消費する遅延方法²つである。

他の方法は、材料系の励起に光信号を格納します。プローブビームは、情報の読み出しに用いられる。彼らは、低または超高温度^11を必要とする電気通信の帯域幅では動作しません、というより複雑な設定やハイパワー^{12月14日を}必要とするので、通常、これらのシステムは、電気通信の分野で使用することはできません。

ここでは、信号の基本的な特性（時間 - 周波数コヒーレンス）は光データパケットの記憶に利用することができる方法を示す。 SINCE材料系のない興奮を使用していない、我々は法準光ストレージ^{（QLS）15〜17}と呼ばれています。 QLSは、変調、データフォーマットおよびパケットのデータレートとは無関係であり、数千ビットに対して光パケットを格納することができる^18の長さ。

基本的な考え方は、矩形パルスが示され、ここで、 図1に見ることができる。しかし、この方法は、すべてのパルス形状およびパルスのパケットに対して動作します。唯一の制限は、信号が時間制限されなければならないことである。

強度変調信号²³については、図1。時間-周波数コヒーレンスは、時間領域における単一の矩形信号の（a）は 、周波数土間でのsinc関数で表される。（b）において。それは光学機器のフィールドを測定することは不可能であるので、ここでの正規化強度が、示されている。矩形信号のシーケンスのための時間領域表現は、（c）に示されている。この配列は同じスペクトル形状を有する。しかし、それはSINCエンベロープ（D）の下で等距離の単一周波数で構成されています。時間軸は、それぞれ、最初のゼロ交差の半分単一の信号の持続時間と周波数軸に正規化される。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

時間領域（ 図1a）での矩形パルスは、「洞cardinalis」や封筒の下のすべての周波数が存在しているsinc関数の罪（ピクセル）/ PX形スペクトル（ 図1b）を有する。時間領域（ 図1c）が矩形パルス列は、まだシリコンがあるNC機能は、帯域幅Δfにスペクトル（ 図1d）を形。しかし、周期性のために、すべての周波数は、もはや存在していない。その代わりに、スペクトルが等間隔の周波数で構成され、周波数間隔の逆数はパルスΔT = 1 /ΔVの間の時間間隔を定義します。

QLSの基本的な考え方は、単純に、入力パケットのスペクトルから等距離の周波数を抽出することになりました。による時間 - 周波数コヒーレンスに、これは時間領域でのパケットのコピーをもたらす。所望の遅延を有するコピーは、時間領域スイッチによって抽出することができる。

我々の実験の原理は、 図2に示されている。期間限定の入力信号は、周波数領域における周波数コムと乗算される。乗算誘導ブリルアン散乱（SBS）の非線形効果を用いる。結果が目に入力信号の等距離コピーでE時間領域。信号の一つは、矩形関数によって駆動されるスイッチで抽出する。従って、原理的にメモリの出力において入力パルスの歪みのないコピーが期待できる。

図2準光ストレージ¹⁵の基本的な考え方。時間制限された入力信号（a）の Xで示される周波数領域における周波数コムの（b）で乗算されるこれは、種々のコピーをもたらす時間領域の信号（c）の生成されたパルス列からコピー（d）の一つは、矩形の読み出し信号（e）で時間ドメインスイッチで抽出する。スイッチは、変調することができます。その結果、光信号のストレージである。 STオラージ時間は、コム·ラインとリード信号間の周波数間隔によって定義されます。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

SBS自体は、低電力で、標準的なシングルモードファイバ（SSMF）で発生する可能性の非線形効果である。これにより、信号はポンプ波を伝播するカウンタによって生成された光学濃度の変化と相互に作用する。信号波周波数にシフトダウンされる場合、利得領域は、信号が増幅されるが形成されている。シフトアップがあれば、対応する信号が損失領域で減衰される。ポンプと信号との間の周波数シフトは、材料特性に依存する音響波によって定義される。提示されたアプリケーションのための、SBSの最大の利点は、ゲイン領域の狭帯域Δfが_SBSである。このように、実用的にSBSは、狭線幅光学フィルタを形成している。 Tの狭い帯域幅彼は地域を獲得ファイバの有効長さと面積にだけでなく、使用されるポンプパワー¹⁹に依存します。 SSMF中のSBSゲインの半値（FWHM）帯域幅で自然全幅は約30 MHzです。例えばAllWaveファイバ、および高いポンプパワーでのような特別の導波路では、帯域幅が10MHzの²⁰にまで低減することができる。フィルタの帯域幅により異なるコピーは、エンベロープで覆われている。したがって、QLSの最大蓄積時間は反比例SBS帯域幅に依存する。 10MHzの帯域幅は100ナノ秒の最大蓄積時間をもたらすであろう。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

これは多くの利点を提供していますので、非常に高いビットレート伝送のための情報は、代わりにその振幅の搬送波の位相にエンコードする必要があります。このように、パルスとは逆に、これらの光ネットワークの信号が一定の振幅を持っている。 <時間（左）と、周波数領域における強い>図3は、このような位相変調信号（右）。このスペクトルは、振幅変調信号²¹と同様の方法でサンプリングすることができる。実際には、強度と位相変調信号の矩形関数のスペクトルはによるスペクトルを制限し、伝送に濾過される。

位相変調²¹については、図3の時間-周波数コヒーレンス。位相変調信号で搬送波の位相を送信しなければならない信号によって変更される。各シンボルは1ビットで構成されている場合、位相は、例えば、0とπの間で変更されている。図の左側はキーバイナリ位相シフトのために得られた時間領域表現を示している（BPSK）信号。得られた周波数領域の信号は右側に示されている。 図1と比較することによって、位相変調信号のスペクトルは定性的に強度変調された信号と同じであることが分かる。これにより、QLSを同様に適用することができる。

Protocol

1。システム（図4）を調製

1. 特定のマウントにレーザダイオードLD1、LD2を挿入し、電流（LDC）と温度コントローラ（TEC）で接続します。上のデバイスの電源を入れ、光スペクトラムアナライザを備えたレーザダイオードの機能をチェック。通常、1,550付近テレコム波長が使用される。
2. 図4の設定に応じて変調器（IM / PMおよびMZM1）にレーザーダイオードを接続します。光コネクタは、カップリングのためにきれいな表面を確保するために、使用前に洗浄する必要があります。電源（図示せず）と、変調器に追加の電気増幅器を有する波形発生器（AWG）からの信号を接続する。変調器の最大の光学的および電気的入力電力を超えないことを確認してください。すべての変調器は、偏光制御器を備えている。

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図4。強度と位相変調信号の保存が可能で、それによってQLSの実験装置 。青いラベルの付いたセクションでは、位相変調信号の検出のためにのみ必要です。 QLSプロセスは、光ファイバ内で行われる。黄色のラベルの付いたセクションは、周波数コムのヘテロダイン検出を定義しています。 TEC：温度調節器、LDC：レーザダイオード電流源、LD：レーザーダイオード、IM：強度変調器、PM：位相変調器、PC：偏光コントローラ、AWG：任意波形発生器、MZM：マッハツェンダ変調器、EDFA：エルビウムドープファイバアンプC：サーキュレータ、最低：局部発振器、OSCI：オシロスコープ、OSA：光スペクトラムアナライザ、PD：フォトダイオード、ESA：電気スペクトラムアナライザ。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

データ信号のための変調器と光ファイバを接続します。位相変調信号の場合には、位相変調器（PM）と強度変調信号に対して強度変調器（IM）でなければならない。通常、実験のためのデータレートはGbpsの範囲である。ファイバの他方側はサーキュレータ（C）のポート2に接続されている。私たちの実験で使用したAllWave繊維は、以下の仕様があります。= 10.852 GHzの_SBS、≈9.1 dBmの_目のP _FΔSBS F = 10.2 MHzのLは = 20キロ、、。
1. 光増幅器（EDFA）で周波数コムの発生（MZM1）のための振幅変調器を接続します。櫛は、データ信号の帯域幅をカバーしなければならない。 EDFAの出力は、サーキュレータのポート1に接続されている。
2. 位相変調された信号の検出のために、基準源が必要である。 50/50カプラにサーキュレータの出力3と一緒に局部発振器（LO）を接続します。 int型のため ensity変調された信号、この部分は必要ありません。 LOとしてファイバレーザ（Koheras）が使用される。
3. 位相変調された信号の場合：50/50カプラの出力に遅延コピーを抽出するための第三の変調器（MZM2）を接続します。強度変調された信号は、サーキュレータのポート3に直接MZM2接続してください。抽出するための波形発生器のCH1 Mkr1出力ポートからのバイアス電圧（図示せず）と矩形信号で変調を供給する。したがって、元のデータ信号、ならびに同期化された矩形を抽出するための信号を出力する。
4. 検出および分析のために：MZM2後の90/10カプラを接続してください。オシロスコープは、カプラ90％のポートに接続されており、10％の部分は、光スペクトラムアナライザに接続されている。
5. 番組データ·パケットのために必要な信号、周波数コム矩形信号波形発生器。周波数コムは、周期的なsinc関数によって生成される。

e_title "> 2。測定

1. 波形発生器（AWG）でのデータ信号の出力をオンにします。電源の変調器（IM / PM）のバイアスを変更し、オシロスコープでの信号品質を制御します。最高の品質を調整した後、波形発生器をオフの出力をオンにします。変調器は、線形動作点を中心に設定する必要があります。典型的な値は、結果セクションに記載されています。
2. ヘテロダイン検出による周波数コムの品質を調整します。比較的良質の周波数コムのための例が図5に示されている。周波数コムは、 例えば、すべての周波数成分が同一の強度を有し、経時的に安定であるだけでなく、スペクトル全体をカバーするのに十分に広く、平坦である必要がある。さらに、くしのエッジが両側に低強度で明らかな周波数成分が存在しないなど 、急にする必要があります。
3. 50/50のCOとMZM1の出力を接続します。私はヘテロダインくし検出upler。カプラーの他方のポートは、ローカル発振器としてファイバレーザ（Koheras）に接続されている。
4. ヘテロダイン検出櫛II：によりフォトダイオード及び電気スペクトラムアナライザの帯域幅が制限され、第1カプラの出力は、約8ローカル発振器信号との間の距離を設定するために、光スペクトルアナライザに接続されなければならないレーザの温度を変化させることによりギガヘルツ。
5. ヘテロダイン検出櫛III：調整後の光スペクトラムアナライザを除去し、50/50カプラの出力にフォトダイオードと電気スペクトルアナライザを接続する。平坦な周波数コムを実現するために櫛変調器のバイアス電圧を調整する。終了後、光増幅器（EDFA）に再び変調器の出力に接続します。
6. 連続波信号とブリルアンシフトに関する双方のレーザーダイオード（IM / PMおよびMZM1）の間の距離を調整します。このように、波形発生器の出力はTUであることを確認してくださいオフrned。
7. 光増幅器の電源をオンにします。光スペクトラムアナライザを見て、誘導ブリルアン散乱のしきい値より低い値にEDFAの出力パワーを設定してください。
8. 今ポンプ（MZM1）の利得領域へのデータ信号（IM / PM）を発生するレーザダイオードの波長をシフトさせる。波長が正しい場合には、信号が増幅される。
9. 最適化のためにデータ信号の偏波と最大従って強度を変化させる。
10. 波形発生器の両方の出力（データ信号とくし）をオンにします。 EDFAの出力電力を増加させる。今周波数コムは、スペクトルから等距離の構成要素を抽出します。オシロスコープはQLSによって生成された別のコピーが表示されるはずです。歪み低減のためにわずかにデータ信号の波長をシフトし、偏光を変える。
11. コピーのいずれかを抽出するためには、波形発生器または外部ソースのマーカー信号のうちの1つを使用しすなわち、矩形パルスを生成することができる。パケットの長さを有する矩形パルスをセットアップします。
12. MZM2のバイアス電源をオンにし、抽出された信号が最大化され、他のすべてのコピーが抑制され、動作点に変更します。今記憶されたパターンの所望のバージョンに矩形パルスをシフトする。
13. 記憶されたデータパターンはオシロスコープで保存され、ソフトウエア、 例えば、制作に評価することができる。
14. 強度および位相変調された信号の測定との間で切り替えるために、データ信号用の変調器は位相変調された信号のためにPMに信号を強度変調するためのIMから変更する必要がある。さらに、位相変調信号のための基準源として局部発振器は、 図4に記載のセットアップに追加する必要があります。

図5。13の支店とほぼフラットな周波数コム 。コー​​ムは、ヘテロダイン検出を介して検出された。検出のための局部発振器は、光信号を3dBカプラを経由して一緒にしたフォトダイオードで検出する。周波数コムは、電気スペクトラムアナライザで測定し、記録した。局部発振器の出力電力は、dBmの6櫛8 dBmでの光パワーであった。局部発振器と光コムとの間の距離は、9.8 GHzのだった。より良い概要については、周波数軸は約193.5テラヘルツ（1,550）であった櫛の中心周波数に正規化されています。 拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

Results

測定のために、1Gbpsのデータレート10110101強度変調されたデータパターンを使用した。 図6の黒線は、元の信号を表し、色付きのラインがQLSを達成異なる貯蔵時間を表しています。参照は、出力でのQLSおよび非アクティブ化スイッチを使用せずに測定されます。理想的な条件下では100ナノ秒までの貯蔵時間が達成可能である。再び1Gbpsのデータレートを有する位相変調信号の記憶されたデータ·パターン11001101の結果は、左側（黒）上の基準信号とSBS基づいQLSの異なる抽出コピーを、 図7に見ることができる。元の信号の記憶されたバージョンでは、ほとんど歪みのないです。これは、パケット内のビットの振幅のわずかな変化だけでなく、ただわずかにパルス広がりがあることを意味します。歪みの測定は、各パケットに対して定性を行うオシロスコープで特定の値を測定する。

コピーの質と量は、ポンプパワー、櫛の平坦性と偏光に依存します。周波数コムは、十分な平坦度がない場合は、パターンと異なるコピーの歪みが発生します。ポンプパワーが低すぎる場...

Discussion

実験中の最も重要なステップは、周波数領域でデータ信号に対し帯域幅、平坦性および位置、 すなわち 、周波数コムの調整である。光パケットの全体の帯域幅は、理想的には平坦な櫛でサンプリングされる場合には、周波数領域でのサンプリング定理によれば、信号歪みが回避される。これにより、光パケットの帯域幅は、周波数コムの最小帯域幅を定義し、この帯域幅での櫛は、できるだけ平坦である必要がある。非理想周波数コムは、データスペクトルを有する不規則な乗算に、したがって、不均一なサンプリングされたスペクトルにつながる。これは、かなりの歪みを増加させるであろう。利得コームとデータスペクトルの位置が正確に合わない場合にも同様の効果が生じる。利得コムのちょうど半​​分がデータスペクトル内にある場合、例えば、結果が不均一にサンプリングスペクトルであろうし、歪みが増大されるであろう。

メソッド自体は2つの要因によって制限されている。 SBSの半値（FWHM）帯域幅で自然全幅は30 MHzの中​​心にある。例えばAllWaveファイバなど...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
レーザーダイオード	3S フォトニクス	A1905LMI	2x
レーザーマウント	Tektronix	LDH BFY-B2	2x
温度コントローラー	LightWave	LDT-5948	2x
電流コントローラー	LightWave	LDX-3220	2x
光増幅器	高波	HWT-EDFA-B-30-1-FC/PC
サーキュレーター	OFR	OCT-3-IR2
波形発生器	Tektronix	AWG7102
Fiber 20 km	OFS	AllWave-ZWP G652C-D
偏波コントローラ	Thorlabs	Fiber Pol. Contr. IPC030	2x
Modulator	Avanex	IM-10-P	Phase
Modulator	Avanex	SD20	Amplitude, extract
変調器	Avanex	PowerBit F-10	振幅、データ
変調器	Covega	Mach10	振幅、コム
光スペクトラムアナライザ	横河	AQ6370C
オシロスコープ	Agilent	DCA-J 86100C
測定モジュール	Agilent	86106B
ファイバーレーザー	コヘラス	Adjustik
カプラー	ニューポート	F-CPL-L22151-P	比率: 90/10
カプラー	ニューポート	F-CPL-L12155-P	比率: 50/50
電源	Zentro-Elektrik	LD 2x15/1 GB
電気増幅器	SHF	826H
供給ポート	SHF	B826
電気増幅	器 増幅器研究	10W1000
フォトダイオード	ニューポート	D-8IR
電気スペクトラムアナライザ	HP	8563E